Piotr Minias
Fot. Piotr Minias
Badania łysek Fulica atra wskazują na mikroewolucyjny charakter adaptacji zwierząt do życia w mieście. Fot. Piotr Minias
Jako ludzie rozumni jesteśmy coraz bardziej samoświadomi dominującego wpływu naszego gatunku na środowisko przyrodnicze całej planety. Szacuje się, że geologiczne ślady obecności i działalności człowieka będą obserwowalne na Ziemi przez kolejne miliony lat, a epokę, w której ślady te powstają, zaczynamy coraz powszechniej nazywać antropocenem. Jednym z najłatwiej zauważalnych elementów funkcjonowania społeczeństw ludzkich jest ich tendencja do gromadzenia się w dużych skupiskach zwanych miastami. W skali historycznej miasta nie są zjawiskiem nowym. Pierwsze nieregularne proto-miasta zaczęły pojawiać się w basenie Morza Śródziemnego ok. 10 tys. lat temu, a pierwsze w pełni rozwinięte ośrodki miejskie o charakterystycznej, znanej z dzisiejszych czasów strukturze powstały w V-IV w. p.n.e. na terenie Mezopotamii. Od tamtego czasu tempo rozrastania się miast i kierunkowy przepływ ludzi z terenów wiejskich do dużych ośrodków miejskich systematycznie przyspiesza. Obecnie ponad połowa ludzi zamieszkuje tereny miejskie, a zgodnie z przewidywaniami modeli demograficznych liczba mieszkańców miast wzrośnie do niemal 70% w roku 2050. Jednocześnie ostatnie dekady przynoszą rozwój coraz większej liczby ekstremalnie dużych ośrodków miejskich (tzw. megamiast), których populacje przekraczają 10, a czasem nawet 20 milionów mieszkańców. Bez względu jednak na rozmiary miasta charakteryzują się skrajnym stopniem przekształcenia krajobrazu naturalnego i stąd ich wpływ na środowisko przyrodnicze jest ogromny.
Z jednej strony miasta i procesy urbanizacyjne postrzegane są jako jedno z globalnych zagrożeń dla bioróżnorodności. Wiele organizmów, zarówno zwierząt, jak i roślin, wykluczanych jest z krajobrazu miejskiego. Procesy ewolucyjne kształtujące przystosowania zwierząt i roślin do ich środowiska życia są zwykle mierzone w skali dziesiątek bądź setek milionów lat. W efekcie ewolucyjny potencjał ich adaptacji do niezwykle gwałtownych zmian środowiskowych przypisywanych człowiekowi jest zwykle ograniczony. Z drugiej jednak strony coraz więcej i więcej gatunków jest w stanie pokonać stawiane przez człowieka bariery, kolonizując miasta, przystosowując się do życia w miejskich warunkach, a nawet uzależniając swoje funkcjonowanie od bliskiej obecności człowieka.
W rzeczywistości tereny miejskie okazują się niezwykle korzystnym miejscem bytowania i rozrodu dla wielu gatunków zwierząt. W miastach zwierzęta korzystają z bogatej bazy antropogenicznego pokarmu, często celowo dostarczanego zwierzętom przez człowieka. Zgodnie z szacunkami British Trust for Ornithology ponad połowa gospodarstw domowych w Wielkiej Brytanii dokarmia ptaki w okresie zimowym, co przekłada się na 50-60 tysięcy ton pokarmu dostarczanego ptakom każdej zimy. Podobną sytuację można zaobserwować w przypadku dostarczania ptakom sztucznych miejsc lęgowych. Odwołując się ponownie do przykładu Wielkiej Brytanii, wyliczono, że w przydomowych ogrodach znajduje się niemal 5 milionów budek lęgowych, a w samym mieście Sheffield jest ich ok. 45 tys. Dodatkowo zwierzęta w miastach najczęściej doświadczają niższej presji ze strony drapieżników – łańcuchy pokarmowe na terenach miejskich są zwykle uproszczone, a wiele naturalnych drapieżników stara się unikać bliskiego kontaktu z człowiekiem. Podobnie różnorodność naturalnych patogenów i pasożytów może obniżać się wraz ze wzrostem poziomu urbanizacji, a więc miejskie zwierzęta mogą być mniej narażone na naturalne choroby. Co więcej, miasta są wyspami ciepła, dlatego temperatury notowane w granicach miast mogą być nawet o kilka stopni Celsjusza wyższe od temperatur rejestrowanych na terenach niezabudowanych. Zjawisko to może mieć decydujące znaczenie dla przetrwania zwierząt w niekorzystnym okresie zimowym, redukując między innymi czas i grubość zalegania pokrywy śnieżnej (a także pokrywy lodowej na miejskich zbiornikach wodnych), ułatwiając skuteczne zdobycie pokarmu. Procesy te prowadzą do skrócenia lub całkowitego zaniku sezonowych migracji u coraz większej liczby gatunków ptaków stref umiarkowanych, a zmiany te warunkowane są właśnie łagodniejszymi warunkami pogodowymi i większą dostępnością pokarmu na terenach miejskich.
Mimo ewidentnych korzyści, jakie zwierzęta czerpią z kolonizacji miast, życie miejskie niesie ze sobą również określone wyzwania. Brak naturalnych drapieżników i patogenów często równoważony jest pojawianiem się nowych, związanych z obecnością człowieka elementów sieci ekologicznych. Doskonałym przykładem są tutaj wolno żyjące (lub okresowo wychodzące) koty domowe, których zagęszczenia w miastach zwykle przekraczają 200 osobników/km2, a które odpowiedzialne są, zgodnie z ostatnimi szacunkami, za śmierć 1-4 miliardów ptaków i 6-22 miliardów ssaków rocznie w skali całej planety. Dla przykładu, w Stanach Zjednoczonych drapieżnictwo ze strony kotów uznawane jest za najpoważniejsze antropogeniczne źródło śmiertelności ptaków i niewielkich ssaków. Drapieżniki to jednak nie wszystko. Zwierzęta w miastach muszą radzić sobie również z różnymi typami zanieczyszczeń, w tym zanieczyszczeniami chemicznymi gleby, wody i powietrza. W ostatnim czasie coraz więcej badań prowadzonych jest nad wpływem antropogenicznego zanieczyszczenia dźwiękiem i światłem na dzikie zwierzęta. W miastach pojawiają się także nowe źródła zanieczyszczeń, np. mikroplastik, który efektywnie akumuluje się w niemal wszystkich tkankach organizmów żywych. Czynniki te wymagają od zwierząt miejskich szeroko zakrojonych adaptacji, takich jak zmiany zachowania, ale także modyfikacje gospodarki hormonalnej, fizjologii i procesów immunologicznych warunkujących odporność organizmu na choroby. W jaki jednak sposób dochodzi do tak szeroko zakrojonych i kompleksowych zmian w funkcjonowaniu zwierząt kolonizujących miasta? Aby odpowiedzieć na to pytanie, nasz zespół z Uniwersytetu Łódzkiego rozpoczął badania nad procesami kolonizacji miast przez ptaki.
Ptaki są doskonałym modelem do badań ekologii miast. Z jednej strony są one względnie łatwo wykrywalne i obserwowalne w warunkach miejskich (w przeciwieństwie na przykład do często skrytych i aktywnych nocą ssaków), co jest niezwykle ważną zaletą przy prowadzeniu badań terenowych. Co więcej, ptaki względnie łatwo jest nie tylko obserwować, ale również złapać za pomocą przyżyciowych technik odłowu, co umożliwia pobranie bogatego materiału biologicznego (np. krwi) do badań (np. genetycznych). Poza tym poszczególne osobniki możemy łatwo oznakować z wykorzystaniem metod tradycyjnych (obrączkowanie) lub trochę bardziej nowoczesnych (nadajniki radiowe bądź satelitarne). Umożliwia to długofalowe śledzenie losów indywidualnie oznakowanych osobników, dzięki czemu możemy określić najbardziej podstawowe parametry demograficzne populacji, takie jak przeżywalność czy rozrodczość. Różne gatunki ptaków wykazują jednak bardzo różny stopień adaptacji do warunków miejskich i stąd niezwykle istotne jest wybranie takiego obiektu badań, który umożliwi efektywne przetestowanie postawionych hipotez badawczych.
Do naszych badań wybraliśmy łyskę, ptaka wodnego z rodziny chruścieli, blisko spokrewnionego z żurawiami, jednak często przez miejskich spacerowiczów mylonego z podobnie wyglądającymi kaczkami. Łyska jest gatunkiem dość wyjątkowym z perspektywy badań ekologicznych w miastach, gdyż proces adaptacji tego gatunku do życia w siedliskach miejskich rozpoczął się na terenie Europy Środkowej stosunkowo niedawno. Najwcześniejsze doniesienia o miejskich łyskach na terenie Polski pochodzą dopiero z pierwszej połowy XX wieku z Warszawy. Proces wnikania łyski do innych polskich miast rozpoczął się jeszcze później. Na przykład intensywne badania prowadzone na terenie Łodzi w latach 90. XX wieku wykazały obecność jedynie niewielkiej liczby par lęgowych łyski, obecnych głównie w peryferyjnych, nisko zurbanizowanych częściach miasta. Nasze badania prowadzone kilkanaście lat później pokazały, że łyska w krótkim czasie skutecznie wniknęła do strefy zwartej zabudowy miejskiej Łodzi, gnieżdżąc się na silnie przekształconych zbiornikach rekreacyjnych w centrum miasta. Wieloletni monitoring tej populacji pokazuje, że proces kolonizacji miasta i adaptacji do lokalnych warunków miejskich trwa. Sytuacja ta stwarza niepowtarzalny układ badawczy, w którym jesteśmy w stanie na bieżąco śledzić mechanizmy warunkujące pojawienie się nowego gatunku zwierzęcia w przestrzeni miejskiej.
Nasze badania jasno pokazują, że wnikanie łyski na teren miast wiąże się z całym szeregiem modyfikacji behawioralnych. Z jednej strony miejskie łyski z łatwością przystosowują się do korzystania z pokarmu celowo dostarczanego im przez ludzi, np. na drodze popularnego w parkach miejskich dokarmiania ptaków wodnych. Jest to najprawdopodobniej jeden z kluczowych elementów decydujących o lepszej kondycji łysek na terenach miejskich – ptaki z naturalnych siedlisk pozamiejskich mają wyraźnie niższą masę ciała i gorsze parametry fizjologiczne. Wskazuje to na wyraźne korzyści, jakie łyski mogą czerpać z życia w mieście. Z drugiej strony miejskie łyski musiały zaadaptować się do gniazdowania w skrajnie zmienionych warunkach siedliskowych. W warunkach naturalnych łyska gniazduje w szerokim pasie przybrzeżnych szuwarów, który zapewnia doskonałe ukrycie gniazda, piskląt, ale także dorosłych ptaków, które normalnie prowadzą dość skryty tryb życia. Jednak zbiorniki miejskie zwykle pozbawione są bujnej roślinności szuwarowej. Aby efektywnie podejmować rozród na terenie miasta, łyski musiały przystosować się do gniazdowania w terytoriach, gdzie osłona roślinności jest silnie ograniczona lub zupełnie jej brak. Tak drastyczna zmiana warunków gniazdowania wywołuje cały szereg równoległych adaptacji behawioralnych.
Przede wszystkim odkryte gniazda są łatwiejsze do wykrycia przez drapieżniki zajmujące się rabunkiem jaj. W warunkach miejskich drapieżnikami tymi są głównie ptaki krukowate, np. liczne w większości europejskich miast sroki i wrony. Aby sprawdzić, w jaki sposób miejskie łyski radzą sobie z takim zagrożeniem, zdecydowaliśmy się zamontować w ich gniazdach automatyczne rejestratory temperatury. Dzięki temu prostemu zabiegowi mogliśmy z dużą precyzją określić ilość czasu, który łyski spędzały na gnieździe, inkubując i chroniąc jaja (obecność ptaka na gnieździe powodowała wzrost temperatury). Okazało się, że słabo osłonięte gniazda miejskich łysek wymagały większej inwestycji w ochronę przed drapieżnikami, a ptaki miejskie więcej czasu spędzały na gnieździe w porównaniu do ptaków z terenów mniej zurbanizowanych. Jednocześnie nasze badania pokazały, że proces kolonizacji miast przez łyski wiąże się z utratą naturalnej bojaźliwości, a także wzrostem agresji. Badania eksperymentalne przeprowadzone przez nasz zespół wykazały, że niemały procent łysek gniazdujących na terenie miast nie tylko nie ucieka przed człowiekiem (eksperymentatorem) zbliżającym się do gniazda, ale stara się go aktywnie odstraszyć, a nawet bezpośrednio zaatakować dziobem i szponami. Zachowania tego rodzaju nigdy nie były obserwowane u łysek gniazdujących w naturalnych siedliskach pozamiejskich. Aby zrozumieć, skąd biorą się te różnice, trzeba odwołać się do dwóch podstawowych mechanizmów biologicznych.
Każdy organizm żywy charakteryzuje się pewnym obserwowalnym zespołem cech, który nazywamy fenotypem. Do cech fenotypowych mogą należeć nasze własności morfologiczne (np. wzrost czy kolor owłosienia), behawioralne (np. skłonność do agresji), ale także fizjologiczne (np. poziom hormonów) itp. Każdy fenotyp warunkowany jest zarówno przez genotyp (zespół genów danego organizmu), jak i warunki środowiskowe. Stąd z jednej strony cechy fenotypowe mogą mieć podstawy genetyczne (dziedziczne), które są niezmienne w ciągu życia danego osobnika. Z drugiej strony ekspresja cech fenotypowych może stanowić plastyczną odpowiedź na bieżące zmiany warunków środowiskowych – taki mechanizm nazywany jest plastycznością fenotypową. Oba te mechanizmy mogą efektywnie współdziałać w kształtowaniu cech fenotypowych. Rozważając przykład wspomnianej już agresji, możemy stwierdzić, że dany osobnik może być mniej lub bardziej agresywny w zależności od kontekstu środowiskowego (np. społecznego), w jakim się w danej chwili znajduje (np. obecności innych wrogo nastawionych osobników). Jednakże tendencja do zachowań agresywnych jest w pewnym stopniu dziedziczna i niektóre osobniki na drodze uwarunkowania genetycznego są bardziej (i częściej) agresywne niż inne.
Rozróżnienie obu tych mechanizmów często nie jest łatwe, ale niezwykle istotne w kontekście rozumienia procesów adaptacji, w tym również adaptacji do życia w mieście. Jedynie adaptacje dziedziczne (warunkowane genotypem) będą przekazywane z pokolenia na pokolenie, a co za tym idzie będą kształtowane przez podstawowe procesy ewolucyjne, takie jak dobór naturalny. Ewolucja jest jednak procesem rozpatrywanym zwykle w długich skalach czasowych liczonych zwykle w milionach lat. Czy możliwe jest więc, aby twory miejskie, których historia sięga jedynie kilku tysięcy lat, mogły kształtować ewolucję organizmów? Mamy coraz więcej dowodów na to, że tak jest w istocie. Stopień przekształcenia środowiska miejskiego jest niezwykle silny, a unikalne warunki środowiskowe i ekologiczne w miastach mogą oddziaływać na organizmy z ogromną siłą. Zaczynamy rozumieć, że siła tego oddziaływania może wywoływać dynamiczne odpowiedzi adaptacyjne organizmów kolonizujących miasta, a odpowiedzi te mogą mieć charakter ewolucyjny. Dla odróżnienia od długotrwałych procesów makroewolucyjnych zwyczajowo mówimy tutaj jednak o mikroewolucji. Na razie nasza wiedza na ten temat jest jednak szczątkowa i ogranicza się do badań prowadzonych na niewielkiej grupie gatunków modelowych, takich jak choćby badane od dekad sikory bogatki.
Realizowany przez nasz zespół projekt wskazuje, że procesy mikroewolucyjne związane z kolonizacją miast mogą być zjawiskiem powszechnym. Badania przeprowadzone na łysce jasno pokazują, że ptaki miejskie różnią się genetycznie od ptaków z terenów pozamiejskich. Takie różnice zaobserwowaliśmy w wybranych genach kodujących białka mające związek z regulacją zachowania się ptaków. Między innymi zidentyfikowaliśmy charakterystyczne dla ptaków miejskich warianty genów odpowiedzialnych za rozwój funkcji poznawczych i regulację cyklu dobowego. Podobnie wykazaliśmy genetyczne różnice w obrębie układu odpornościowego ptaków, a w szczególności w obrębie genów kodujących białka odpowiedzialne za rozpoznawanie czynników chorobotwórczych. Pokazuje to, że ptaki w środowisku miejskim mogą być eksponowane na zupełnie inny zestaw patogenów niż ptaki w środowiskach naturalnych. Hipotezę tę będziemy testować z wykorzystaniem analizy mikrobiomu jelitowego, która przy zastosowaniu nowoczesnych technik sekwencjonowania (tzw. meta-barcoding) pozwala określić skład zbiorowiska bakterii przebywających w układzie pokarmowym ptaków. Jak pokazują wstępne analizy, łyska jest gospodarzem dla licznych patogennych bakterii pokarmowych (np. Salmonella, Campylobacter czy Yersinia), które mogą zagrażać również człowiekowi. Nasze badania pokażą, czy bakterie te częściej pojawiają się u ptaków miejskich narażonych na bliższy kontakt z ludźmi. W ramach projektu przeprowadzone zostaną także badania zróżnicowania genetycznego miejskich i pozamiejskich łysek na poziomie całych genomów. Jak do tej pory nasza analiza genomu łyski wykazała obecność ok. 20 tys. różnych genów. Przeprowadzone badania umożliwią wyszukanie i ewentualne zidentyfikowanie różnic genetycznych związanych z kolonizacją miasta w każdym z tych genów, bez względu na jego funkcję. Podobne badania przeprowadzono jak do tej pory jedynie na kilku gatunkach ptaków (np. na wspomnianych już sikorach bogatkach), były to jednak gatunki o zupełnie innych cechach ekologii i historii życia. Spodziewamy się, że nasze badania łysek mogą rzucić nowe światło na rozumienie procesów odpowiedzialnych za dynamiczne procesy adaptacji ptaków do życia w niepowtarzalnym środowisku ekologicznym, jakim są miasta. Wydaje się, że zrozumienie tych procesów jest kluczowe, aby efektywnie chronić bioróżnorodność nie tylko na poziomie globalnym, ale także lokalnie w otaczającej nas bezpośrednio przestrzeni. Na przykład w miejskim parku.
Badania przeprowadzone na łysce jasno pokazują, że ptaki miejskie różnią się genetycznie od ptaków z terenów pozamiejskich. Takie różnice zaobserwowaliśmy w wybranych genach kodujących białka mające związek z regulacją zachowania się ptaków. Między innymi zidentyfikowaliśmy charakterystyczne dla ptaków miejskich warianty genów odpowiedzialnych za rozwój funkcji poznawczych i regulację cyklu dobowego. Podobnie wykazaliśmy genetyczne różnice w obrębie układu odpornościowego ptaków, a w szczególności w obrębie genów kodujących białka odpowiedzialne za rozpoznawanie czynników chorobotwórczych.
Badania prowadzone są w ramach projektu „Mikroewolucja życia w miastach – genetyczne mechanizmy procesów urbanizacji zwierząt” (2020/38/E/NZ8/00143) finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki w ramach programu SONATA BIS.
Prof. dr hab. Piotr Minias, Katedra Badania Różnorodności Biologicznej, Dydaktyki i Bioedukacji, Wydział Biologii i Ochrony Środowiska, Uniwersytet Łódzki
